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植被与大气间CO2通量的精确评价能够加深科学界对于热带森林生态系统在全球碳循环中科学地位的理解。涡度相关技术是评价植被-大气间净生态系统CO2交换量的主要手段。热带森林生态系统尺度碳通量的精确评估,为未来全球变化情景下预测热带雨林生态系统可能的相应特征提供了坚实的数据基础。当涡度相关法应用于高大森林生态系统开展碳通量观测时,森林生态系统内CO2浓度变化在特定时段(例:昼夜转换时段)无法通过湍流作用传输到冠层上方,难以被涡度相关系统捕捉到,仅依靠涡度相关系统难以真实反映林内CO2储存通量,还需要独立的廓线系统对储存通量项加以评估。受山地环境影响,山谷中CO2传输过程对通量各项也会产生影响,表现出特殊的日变化特征。
本研究基于涡度相关法和廓线法两套相互独立的观测系统,使用两年完整的观测资料(2007年4月～2009年4月),结合四次CO2廓线短期集中观测资料,针对热带雨林近地层CO2堆积现象的时空分布规律和形成机理进行详细的分析,通过验证三个假设:1、“碳湖”的表现存在季节变化；2、西双版纳热带雨林主要位于山间盆谷之中,在周围山峰的遮挡下,植物由光合转为呼吸,且作用较强；到傍晚时分,呼吸释放的CO2在重力作用下向近地层沉积,堆积到一定数量后随坡下滑；山间谷地由于出口狭窄(小溪),当流入的CO2量大于流出量时,在山间谷地出现CO2聚集现象,在此条件下形成“碳湖”；3、西双版纳山地盆谷中出现的“碳湖”现象对热带雨林生态系统的NEE评价存在不可忽略的影响。主要结论如下:
1):“碳湖”定义:处于复杂地形条件下的热带雨林,近地层傍晚时段出现CO2浓度剧增现象,达到峰值后释放,降低到一定阶段后.逐步又转变为较慢的堆积。由于这一阶段只持续几个小时,又与气象学的“冷湖”概念形成机理有一定联系,将这一现象定义为“间歇性CO2堆积或间歇件碳湖”,简称为“碳湖”:
2)在西双版纳热带雨林中,存在“碳湖”现象。“碳湖”在4-9月出现频率较高(＞63.0％)。6月为最强(82.8%),2月最弱(19.3%),存在明显的季节变化特征,影响高度可达20m。沿坡CO2分布特征为坡下高于坡上,最大CO2堆积浓度出现在坡下方较缓位置,堆积浓度以6月最高,3月最低。
3)西双版纳热带雨林“碳湖”的形成机理:从年尺度来看,辐射越强、气温和地温越高、气压、风速越低有利于“碳湖”的形成,“碳湖”出现相对集中。从主成分分析结果来看,热量条件是影响11-12月(雾凉季)、3-4月(干热季)、9-10月(雨季后期)“碳湖”的主要气象条件。水分条件是6-7月(雨季前期)“碳湖”的主要气象条件。动力条件对“碳湖”影响较弱,仅起到辅助作用。沿坡泄流、土壤呼吸和逆温对近地层CO2堆积存在影响。据此推导出“碳湖”形成和消失过程,提出两个新的假设(例:泄流,补偿机制)。假设一:近地层富含CO2的气体在泄流的挟持下沿坡度梯度向下转移,是形成CO2堆积的主要原因。假设二:由于缺乏高CO2浓度的气体贡献和所处的非闭合流场是CO2堆积现象逐渐消失的原因。
4)“碳湖”效应的具体表现以及对净生态系统CO2交换量的影响评价:“碳湖”出现日与非“碳湖”日热带雨林冠层上方Fc、⊿Fs和NEE呈现出不同的数值。“碳湖”出现日热带雨林NEE多为正值(0.16～0.33 gC/m2d),热带雨林生态系统呈现碳源效应,且两种方法计算结果差异较大；反之,非“碳湖’’日热带雨林的NEE多为负值(-0.89～0.87 gC/m2d)。两种方法计算结果差异较小；热带雨林生态系统呈现碳汇效应。使用两种方法(PM/EC)计算得到的西双版纳热带雨林的NEE年总量分别为-1.09 tC/ha·yr和-0.87 tC/ha·yr,显示出西双版纳热带雨林呈现弱碳汇效应。垂直平流年总量为0.86 tC/ha·yr,表现出碳源效应。
在复杂地形条件下,西双版纳热带季节雨林存在较大CO2浓度梯度变异,采用廓线法进行CO2储存项估算结果比涡度相关法更具有可信性。考虑到东南亚地区热带雨林同样处于复杂地形条件下,本研究结果有助于解释东南亚地区的森林碳通量评价问题。